基于ANSYS的开洞剪力墙受力性能研究

基于ANSYS的开洞剪力墙受力性能研究
发布时间：2022-08-12T02:56:06.901Z 来源：《工程建设标准化》2022年4月第7期作者：谢青山
[导读] 剪力墙被广泛运用于高层建筑中，有着刚度大、承载能力高、抗侧力性能优良等诸多优点。

谢青山
珠海华发建筑设计咨询有限公司，广东，珠海，519000；
摘要：剪力墙被广泛运用于高层建筑中，有着刚度大、承载能力高、抗侧力性能优良等诸多优点。

剪力墙上洞口的布置，会明显影响剪力墙的力学性能。

本文利用ANSYS有限元分析软件，对开设门洞及窗洞两者不同情况的剪力墙的受力性能进行了研究。

通过数值模拟的结果获得了剪力墙的破坏模式及荷载-位移曲线，得出以下结论：墙体洞口四周易产生应力集中现象及裂缝。

当墙体的开洞率相同时，洞口的开设位置影响剪力墙的刚度，底部开设门洞的剪力墙会更早出现裂缝，且刚度及开裂荷载均比开设窗洞时小，但两者最终破坏时的极限荷载相当。

另外，本文对如何判断错洞剪力墙及相关的避免和加强措施提出了合理的方法和建议。

关键词：ANSYS；开洞剪力墙；受力性能
1引言
剪力墙是利用建筑墙体布设的钢筋混凝土结构墙，承受着竖向荷载、风荷载及地震作用。

剪力墙的刚度大,抗震性能好，在水平荷载作用下侧向位移小，用钢量较省，因此常用在高层及超高层建筑结构体系中。

剪力墙一般沿建筑物通高设置，但因建筑使用功能及设备专业穿管的要求，剪力墙上常常会开设各种洞口。

研究表明，剪力墙上洞口的布置，会明显影响剪力墙的力学性能。

开设规则且上下对齐洞口的剪力墙传力简捷，受力明确，应力分布比较规则，受力钢筋容易布置且作用明确，并且与当前普遍应用程序的计算简图较为符合，因而设计计算结果安全可靠，经济指标较好[1]。

随着人们对建筑外观和使用功能的要求越来越高，因此常出现洞口上下不对齐的错洞剪力墙结构。

错洞剪力墙又能细分为一般错洞剪力墙、底部局部错洞墙和叠合错洞墙。

错洞剪力墙有着受力复杂，洞口四周易产生明显的应力集中形成脆性破坏，降低剪力墙的延性及抗震性能，钢筋作用得不到充分发挥等诸多危害，因此在设计中应尽量布置上下对齐的洞口，让墙肢连续不中断，即满足墙上可以有洞口，但洞口上方只有洞口而没有墙的情况[2]。

本文将利用ANSYS有限元分析软件，对不同开洞位置的剪力墙受力性能进行研究，找出错洞剪力墙结构设计的薄弱环节，并探讨如何识别错洞剪力墙及相关的避免和加强措施，对工作中如何进行剪力墙洞口设计提出合理建议。

2 ANSYS有限元模型建立
2.1模型建立
本有限元模型重点研究带门洞及窗洞两种剪力墙的力学行为，将墙体裂缝开展情况、极限承载力及位移等参数作为研究对象。

模型中视混凝土为各向同性材料，选用Solid65单元模拟，并设置剪力墙中水平和竖向钢筋的配筋率为0.5%，忽略剪力墙两端及洞口两侧边缘构件的钢筋作用。

设置混凝土强度等级为C50，即弹性模量为34500MPa，泊松比为 0.2。

采用V on Mises屈服准则，本构关系选用MISO多线性等向强化模型。

假定达到峰值应力后为理想的弹塑性材料。

应力-应变关系上升段采用Hognestad推荐的单轴受压应力-应变经验公式[3]，如图2-1所示。

其表达式为：
图2-1 混凝土本构关系
混凝土受拉时考虑为理想线弹性材料，其应力-应变关系为斜直线，破坏准则为达到极限拉应变即开裂，开裂后拉应力降为0。

混凝土破坏准则采用Willam-Warnker五参数强度破坏准则。

另外，采用裂缝张开系数
和裂缝闭合系数描述混凝土抗剪切的保持能力，两者取值范围是0到1，0表示没有剪力传递作用，1表示剪力完全传递，本模型中分别取为
0.5和1.0。

本文考虑单片剪力墙底部开门洞和窗洞的差异性，分别建立了相应的有限元模型。

两个模型中，剪力墙截面均为矩形，尺寸为：长2500mm、高7000mm、厚200mm。

两个模型设置相同大小的的洞口尺寸，在模型1中，墙体底部中间开设1300宽、2200高的门洞；模型2中，墙体下部中间开设1300宽、2200高的窗洞，且洞口底部距离墙体1000mm；如图2-2(a)(b)所示。

2.2网格的划分及荷载的施加
在墙体顶部设置刚性梁以避免剪力墙在加载点出现应力奇异，刚性梁截面尺寸与剪力墙一致，高度为200mm。

模型使用映射网格划分六面体单元，单元尺寸划分为100mm。

将水平荷载施加在刚性梁的上表面，并约束墙体底部位移，采用位移控制加载方式，选用力的二范数和位移的无穷范数共同控制收敛。

采用大位移静态分析，为增强非线性计算过程中的收敛性，关闭混凝土的压碎开关，并打开自动时间步长，以获得更好的精度。

在两个分析模型中，计算的总时长均设置为1s。

图2-2 开洞剪力墙的有限元模型
3 ANSYS计算结果分析
3.1破坏形态
如图3-1至图3-2所示分别为两种模型在加载过程中剪力墙裂缝开展变化的正面图。

各图中积分点最多能在三个平面方向上开裂，其中积分点的第一条裂缝用红色圆圈表示，第二条裂缝用绿色圆圈表示，第三条裂缝用蓝色圆圈表示。

从有限元分析结果来看，可观察到两个模型中的裂缝形态发展规律略有不同。

如图3-1与图3-2所示，当墙体底部开设门洞时，裂缝首先出现在墙体洞口左下角和左上角，并且左下角裂缝数量居多；当墙体下部开设
窗洞时，裂缝首先出现在墙体洞口左上角，并且出现裂缝的时间比开设门洞时更晚。

这说明当墙体开设门洞时，墙体底部受到的总约束力只由洞口左右底部的墙体承担，因此底部混凝土更容易产生拉应力使得混凝土开裂。

随着荷载逐渐增大，两模型的右下角均出现裂缝。

加载后期，两模型中洞口右上角均出现裂缝并且扩展速度很快，最后墙体
四个角部均出现不同程度的开裂导致整体破坏。

从裂缝分布区域来看，模型1与模型2
图3-2 模型2混凝土裂缝开展正面图最终的破坏均是洞口处混凝土受拉破坏导致。

通过两者模型的对比可发现，当开设门洞时从加载至四个角部均出现裂缝所经历的时间比开设窗洞时更短，且最后墙体裂缝会更多。

3.2荷载-位移曲线
表3-1 有限元计算结果的对比
图3-4 模型2加载点X向荷载-位移曲线
如图3-3至图3-4所示分别为两个模型在加载过程中墙体顶部加载点的水平X向荷载-位移曲线。

从图中可看出在整个加载过程中，模型1与模型2的荷载-位移曲线走向相似。

如图3-3和图3-4所示，当两个模型中墙体顶部加载位移分别为0.561mm和0.552mm时，墙体第一次出现裂缝，其对应的荷载分别为63.75KN和76.29KN。

这表明在加载位移相当的情况下，当墙体出现裂缝时，底部开设门洞比下部开设窗洞所能承受的荷载更小。

随着荷载的逐渐增大，两个模型都达到了各自所承受的极限荷载，两者的极限荷载值相当，最后模型1达到的极限位移比模型2更大，说明墙体开设门洞时的刚度更小。

4 开洞剪力墙的设计方法
4.1结论
本文针对底部局部错洞剪力墙结构，对分别开设门洞和窗洞的两种不同情况进行了有限元建模以及计算分析。

在两种模型中，采用了相同的剪力墙尺寸和洞口尺寸，洞口率均为16.34%，属于小开口整体墙，变形特征主要是弯曲变形。

经过分析得出以下结论：当墙体开设洞口时，洞口四周易产生应力集中现象，并会由于拉应力过大而产生裂缝。

当墙体的开洞率相同时，洞口的开设位置对剪力墙的刚度影响比较大，底部开设门洞的剪力墙比开设窗洞时的剪力墙体的受拉区混凝土更早出现裂缝，且前者在弹性阶段的刚度比后者小，开裂荷载也更小；在混凝土开裂后，底部开设门洞的剪力墙比开设窗洞的刚度小的更多，但最终破坏的极限荷载两者相当。

4.2设计方法及建议
在实际工程项目中，一般可以根据墙体是否有根来判断是否为错洞墙。

例如图4-1所示，图(a)里的三部分墙体都落地，并且中间最上面洞口两边位置有明确的墙肢和连梁，所以判断为非错洞墙。

图(b)里两边墙体落地，中间墙体落在了洞口连梁上，没有形成明确的墙肢和连梁，若此部分在非地下室范围时判断为底部局部错洞墙；若此部分在地下室范围时，则判断为非错洞墙。

图4-1 底部局部错洞墙和非错洞墙
当因建筑功能需求不可避免的设置建筑错洞后，结构设计师在满足规范要求的整体计算指标的前提下，可采取以下两种合理的措施避免结构错洞：（1）对于底部局部错洞剪力墙结构，可将洞口上部墙体的相同立面位置均设置洞口，并保证上部墙体的洞口尺寸不小于下部墙体的洞口尺寸以满足墙体有根。

（2）对于叠合错洞墙结构，可将立面上墙体相同位置开设尺寸大小一致的大洞口，将其转化为结构规则洞口，并在不需要开设大洞口的位置用其他轻质材料填充。

当无法按以上措施避免结构错洞墙后，结构设计师应当采取必要的结构加强措施：（1）剪力墙开洞后，若计算不满足墙肢稳定性及轴压比等规范要求，则可采取加厚墙体或提高混凝土等级等加强措施。

（2）墙体开洞后，洞口两边剩余墙肢尺寸应满足规范要求的边缘构件
最小尺寸范围，若不满足，则可加长墙肢或加设端柱。

（3）对于尺寸不大于800mm的洞口，洞口每边需设置补强钢筋。

（4）对于尺寸大于800mm的洞口，洞口上下需设置至少400mm高的补强暗梁（若洞口上边或下边为剪力墙连梁时，可不重复设），洞口两侧设置剪力墙边缘构件。

（5）对于尺寸大于1000mm的洞口，可按有限元方法分析计算，并按局部框支剪力墙结构构件的构造加强措施，定义转换梁和转换柱，加强剪力墙边缘构件的配筋等。

剪力墙开设门洞的情形经常出现在地下室或者首层，由于门洞的宽度基本都大于800mm，属于大洞口。

因此对于这种情况，可按以下处理方式：（1）若地下室开设门洞时，由于地下室不直接承受水平地震作用，因此，洞口上方梁按照可按连梁计算，洞口两侧设置约束边缘构件。

（2）若首层开设个别数量门洞时，若洞口尺寸不大于1000mm且整体剪力墙因开洞后，内力变化不大，则洞口上方梁可按连梁计算，洞口两侧设置剪力墙边缘构件。

（3）若开设的洞口尺寸大于1000mm时，洞口上方梁按连梁和框支梁取包络配筋计算，洞口两侧设置约束边缘构件或按框架（支）柱要求配筋，并满足相应抗震等级轴压比限值。

（4）若首层开设门洞数量较多时，视具体情况可将首层设置为转换层，改变结构体系计算。

剪力墙开设窗洞的情形一般出现在下部楼层的楼梯间等处。

另外，高层建筑的中间局部楼层因建筑功能需要设置的门洞对于整片剪力墙来讲也可视为尺寸较大的窗洞。

因此对于这种情况，当洞口尺寸大于800mm时，可按以下处理方式：（1）若建筑窗洞的底部距离首层地面比较近时，可以根据具体情况设置补强钢筋或直接加大洞口使之成为底部开设的门洞，再按照门洞的加强措施处理。

（2）若是窗洞底部距离地面距离很远时，若洞口尺寸不大于1000mm且整体剪力墙因开洞后，内力变化不大，则洞口上方梁可按连梁计算，下方设置补强暗梁，洞口两侧设置边缘构件。

对于尺寸大于1000mm的洞口，洞口上方梁按连梁和框支梁取包络配筋计算，下方设置补强暗梁，洞口两侧设置边缘构件并放大配筋。

参考文献
[1]高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3-2010)[S]，中国建筑工业出版社，2010.
[2]建筑抗震设计规范(GB 50011-2010)(2016版)[S]，中国建筑工业出版社，2016.
[3]梁兴文，叶艳霞. 混凝土结构非线性分析[M].北京，中国建筑工业出版社，2007.。